传感器原理及应用第十一章-常用传感器的应用设计实例课件.ppt

1、 本章将列举几个典型的常用传感器检测系统设计，并通过Freescale单片机，说明传感器的应用方法和关键步骤，包括系统结构设计，软件设计，硬件设计等，使本书能具有更高的实用价值。希望本章对工程设计人员、对正在完成毕业设计的大学生及参加各种比赛的大学生有一定的借鉴作用。第第1 11 1章章 常用传感器的应用设计实例常用传感器的应用设计实例11.1 Freescale11.1 Freescale单片机的性能及其应用简介单片机的性能及其应用简介一一 S12XS12X系列系列MCUMCU概述概述二二 S12XS128S12XS128硬件最小系统硬件最小系统11.2 11.2 CodeWarriorCo

2、deWarrior开发环境简介与基本使用方法开发环境简介与基本使用方法一一 CodeWarriorCodeWarrior开发环境的功能和特点开发环境的功能和特点二二 CWCW环境的安装与设置环境的安装与设置10.3 10.3 常用传感器的应用实例常用传感器的应用实例一一 DS18B20DS18B20智能温度传感器的应用智能温度传感器的应用二二 MMA8451MMA8451集成加速度传感器的应用集成加速度传感器的应用三三 ENC-03MBENC-03MB角速度传感器的应用角速度传感器的应用四四 MINI1024JMINI1024J绝对式编码器的应用绝对式编码器的应用五五 TSL1401TSL14

3、01线性线性CCDCCD传感器的应用传感器的应用六六 OV7620OV7620图像传感器的应用图像传感器的应用七七 HY-SRF05HY-SRF05超声波测距模块的应用超声波测距模块的应用八八 综合应用综合应用-电机正反转调速系统电机正反转调速系统FREESCALE单片机的性能及其应用简介大学生比赛中，S12这类单片机应用广泛，当然Freescale单片机远非于此。Freescale系列单片机采用哈佛结构和流水线指令结构，在许多领域内都表现出低成本，高性能的的特点，它的体系结构为产品的开发节省了大量时间。此外Freescale提供了多种集成模块和总线接口，可以在不同的系统中更灵活的发挥作用！M

4、c9s12xs128 112脚LQFP封装11.1 Freescale11.1 Freescale单片机的性能及其应用简介单片机的性能及其应用简介1.S12X系列系列MCU概述概述1）S12X系列MCU的内部结构框图2）S12X系列MCU主要特点：n （1）S12X系列单片机的中央处理器CPU12X是16位MCU，它的指令系统与S12兼容。CPU工作频率最高可达80MHz。n （2）使用范围为0.516MHz的外部晶振，产生更高的单片机内部总线时钟，最高可达40MHz。外部时钟缺失时，内部提供自时钟方式，直到外部时钟恢复为止。n （3）64KB、128KB或256KB的Flash（也称P-Fl

5、ash）或者ROM，4KB或8KB的数据Flash（也称DFlash或EEPROM），4KB、8KB或者12KB的RAM。n （4）16通道的高达12位精度的A/D采集模块，支持8位、10位、12位多种精度选择。支持CAN2.0A、B两种协议的控制器局域网CAN，又叫MSCAN（Motorola Scalable Controller Area Network），通信速率可达1Mbps。标准定时器模块TIM（Standard Timer Module），8个16位通道的输入捕捉和输出比较，1个带着8位精度的16位计数器和1个16位的脉冲累加器。周期中断定时器PIT（Periodic Inter

6、rupt Timer），多达4个带有溢出周期的独立的定时器，溢出周期可以在1224个总线周期之间。多达8通道8位或4通道16位的脉冲宽度调制PWM。2个串行外设接口模块SPI（Serial Peripheral Interface），可配置8位或者10位数据大小，支持主机、从机两种模式。2个串行通信接口SCI（Serial Communication Interface）支持全双工或者半双工操作模式，可选用普通非归零码或者IrDA1.4归零码。低功耗唤醒定时器，定时溢出周期从0.2ms13s，每两个可选周期之间间隔为0.2ms。n （5）INT/XINT中断模块，7级中断嵌套，支持7个等级的中

7、断优先级，用户可以编程设置中断的优先等级。n （6）单线后台调试模式接口（BKGD），增强的断点功能，允许单一的断点设置在线调试（在片内调试模块加了多于两个的断点）。n （7）CRG（Clock and Reset Generation）模块，包括COP看门狗、实时中断以及时钟监视器等。n （8）片内电压调节器。包含带低电压中断方式的低电压检测、上电复位电路以及低电压复位。含有带隙（bandgap）参考电压，提高了系统的温度适应性。n （9）存储器映像控制（Memory Mapping Control）模块，实现8MB存储空间连续寻址。2.S12XS128硬件最小系统硬件最小系统 MCU的硬件

8、最小系统是指可以使内部程序运行所必须的外围电路，也可以包括写入器接口电路。一般情况下，MCU的硬件最小系统由电源、晶振及复位等电路组成。芯片要工作必须有电源与工作时钟，至于复位电路则提供不掉电情况下MCU重新启动的手段。绘制硬件最小系统原理图时，可以使用引脚的第一功能名称命名引脚的网标对I/O类功能引脚；若引脚具有GPIO功能，可以使用GPIO功能名命名网标。利用最小系统进行实际嵌入式系统功能原理图设计时，若实际使用的是其另一功能，可以用括号加以标注，这样设计的硬件最小系统就比较通用。XS128（112引脚引脚LQFP封装）设计实际应用系统封装）设计实际应用系统 （1）电源及其滤波电路）电源及

9、其滤波电路 最小系统电路中需要大量的电源类引脚来提供足够的电流容量。所有的电源必须外接滤波电容抑制高频噪声。（2）复位电路）复位电路 复位意味着MCU一切重新开始。若复位引脚RESET信号为低电平，MCU复位。需要注意的是，如果RESET引脚一直被拉低，MCU将无法工作。（3）BDM接口电路接口电路 背景调试模式BDM（Background Debug Mode）是由飞思卡尔公司自定义的片上调试规范，为开发人员提供了底层的调试手段。开发人员可以通过它初次向目标板下载程序，同时也可以通过BDM调试器对目标板MCU的Flash进行写入和擦除等操作。用户也可以通过它进行应用程序下载、在线更新、在线动

10、态调试和编程、读取CPU各个寄存器的内容、MCU内部资源的配置与修复、程序的加密处理等操作。在进行最小系统版设计时，要注意使最小系统板的滤波电容尽量靠近芯片引脚，晶振下方不要走线，铺地方式及元器件参数可以按照飞思卡尔官方参考手册中的数值设置。最小系统组成部分最小系统组成部分：一一 CodeWarriorCodeWarrior开发环境的功能和特点开发环境的功能和特点 本文介绍的调试器是基于于Metrow erks公司的集成开发工具Code Warrior的IDE开发环境的。CodeWarrior开发环境（简称CW环境）是FreescaleMCU与DSP嵌入式应用开发的商业软件工具，其功能强大，是

11、Freescale向用户推荐的产品。CodeWarrior分为3个版本：特别版、标准版和专业版。在其环境下可编制并调试XS128MCU的汇编语言、C语言和C+语言程序。其中特别版是免费的，用于教学目的，对于生成的代码有一定限制，C语言代码不得超过12KB，对工程包含的文件数目也限制在30个以内。标准版和专业版没有这种限制。CW环境包括以下几个功能模块：编辑器、源码浏览器、搜索引擎、构造系统、调试器、工程管理器。编辑器、编译器、连接器和调试器对应开发过程的4个阶段，其他模块用于支持代码浏览和构造控制，工程管理器控制整个过程。该集成环境是一个多线程应用，能在内存中保存状态信息、符号表和对象代码，从

12、而提高操作速度；能跟踪源码变化，进行编译和连接。11.2 11.2 CodeWarriorCodeWarrior开发环境简介与基本使用方法开发环境简介与基本使用方法二二 CW CW环境的安装与设置环境的安装与设置 CW环境安装没有什么特别之处，在WindowsXP操作系统上，只要按照安装向导就可以完成。需要说明的是，安装完毕以后要上网注册以申请使用许可（license key）。无论是下载的软件还是申请到的免费网上光盘，安装后都要通过因特网进行注册，申请试用许可（license key）。学生可以通过登录其网站，单击“Request a key”实现。由于这一注册过程是在网上自动实现的，故只要

13、网络畅通，这个往返过程数分钟即可以完成。申请后会通过E-mail得到一个License.dat。将该文件复制到相应目录下即可。例如：“C:Program FilesFreescaleCodeWarrior for S12 V5.0”。对于免费的特别版本，安装好后用License.dat覆盖安装目录下的License.dat。CW环境的运行环境界面如图11.3所示。由于CodeWarrior IDE安装后的默认字体是Courier New，对中文的支持不完善，因此建议修改字体。方法如下：选择EditPerferences菜单项，则弹出IDE Preference对话框。在Font&Tabs选项设

14、置字体为Fixedsys，Script为CHINESE_GB2312，由于Tab在不同文本编辑器解释不同，建议选中Tab Inserts Spaceship，使Tab键插入的是多个空格。CW环境的运行环境界面环境的运行环境界面一一 DS18B20DS18B20智能温度传感器的应用智能温度传感器的应用 DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20的封装与外部引脚10.3 10.3 常用传感器的应用实例常用传感器的应用实例（1）DS1

15、8B20测温系统硬件设计 此处对DS18B20的硬件进行设计，通过系统，MCU可以同时读取四路温度值（加总线驱动电源后，理论上，DS18B20最多可以挂接248片）。DS18B20与Freescale的硬件连接见图。（2）DS18B20测温系统软件设计a）主程序流程图 （b）芯片序列号搜索子程序 （c）芯片温度值读取子程序 MMA8451三轴加速度传感器，16引脚，QFN封装，数字I2C输出，8位/14位精度可选，量程2g/4g/8g可选，电源供电1.95v3.6v可选。输出数据速率从1.56到800Hz。有两个可编程的中断引脚，7个中断源。可检测自由落体、运动、脉冲、振动等、倾角等。32个采

16、样FIFO，每次采样都通过高通滤波后传FIFO。典型应用有：电子罗盘，静态姿态、运动检测，笔记本电子书等便携设备的翻滚、自由落体检测，实时的方向检测可用于虚拟现实设备或3d游戏中的位置检测，便携设备的节能应用中的运动检测等等。二二 MMA8451MMA8451集成加速度传感器的应用集成加速度传感器的应用（1）MMA8451加速度测量系统硬件设计 MMA8451是加速度传感器，实物图如图11.7所示；加速度测量系统的硬件电路如图所示，图 中，MIC5205将5V电压转换为3.3V电压，为传感器提供电源。它的输出采用I2C总线方式，其中SDA接XS128的B1口，SCL接XS128的B0口，通过B

17、1、B0来实现MCU与传感器的通讯。MMA8451加速度测量系统软件流程图如下图。在程序中，读取了Z轴方向的加速度，通过合理放置传感器的位置及在程序中进行数据变换，可以利用所读取的Z轴加速度来获取Z轴与重力方向的夹角。（a）主程序 （b）加速度值读取子程序 （c）芯片内数据读取子程序（2）MMA8451加速度测量系统软件设计三三 ENC-03MB ENC-03MB角速度传感器的应用角速度传感器的应用（1）ENC-03MB角速度测量的硬件电路 ENC-03MB陀螺仪传感器是测量旋转物体的角速度的，其硬件电路如图所示。ENC-03MB陀螺仪输出为模拟信号，其输出直接接到XS128单片机的AD0上，

18、进行AD转换后，即可得到角速度的值。（2）ENC-03MB角速度测量的软件设计（a）主程序流程图 （b）AD转换程序流程图 程序中，在对角速度进行采集以后，将20次采集的值进行了平均滤波处理，处理后，将获取的角速度检测值放在了变量AD_wData中。ENC-03MB测量偏航角速度的范围是300/s，灵敏度为0.67mV/s，零位输出电压为1.35V。所以，如果要获得实际的角速度，还要在程序中进行换算。四四 Mini1024J Mini1024J绝对式编码器的应用绝对式编码器的应用（1）Mini1024J绝对式编码器测速系统的接口电路 Mini1024J绝对式编码器出来是6针插针，当引出排线在左

19、侧，且面向插孔时，其6针管脚的排列分布如图所示。3脚、4脚和5脚分别接XS128单片机的A2、A0和A1。123456DATNCCLKCSGND VDD3.3V或5VA0A1A2 利用绝对式编码器，可以进行角度检测，也可以进行速度检测。因为单片机每次读取的值都在01023之间，且和位置一一对应，所以，用绝对式编码器对角度进行检测较为简单（如果利用绝对式编码器对转速进行检测，则需保证一个前提：在读取周期内旋转角度小于180。由绝对式编码器工作原理可知，如10位精度的绝对式编码器在其转轴上均匀的标上1024个独立的标志位，外部每次读取的位置都是唯一的，单位时间内转轴的角度变化量就是轴的角速度。W=

20、2（N_NUML_NUM）1024T 式中：W为角速度；N_NUM为本次读取的位置值；L_NUM为上次读取的位置值；T为读取周期。在测速时，要判断转轴的旋转方向，要在“在读取周期内旋转角度小于180”的前提下，将一圈分成四个区域，如右图所示：（2）Mini1024J绝对式编码器测速系统软件设计 由上图可分析得（N_NUM-L_NUM）在0 512 或-1023 -512区间内为顺时针；在5121023或-512 0区间内为逆时针。当假设条件成立时，如果没过零点，则|N_NUM-L_NUM|512；如果过了零点，则|N_NUM-L_NUM|512；顺时针越过零点时，可理解为编码器开始走下一圈，此

21、时应加1023（也就是当N_NUM-L_NUM-512时，则N_NUM-L_NUM+1023）；逆时针越过零点时，可理解为编码器退回上一圈，此时应减1023（也就是当N_NUM-L_NUM512时，则N_NUM-L_NUM-1023）；经运算后数值大于0为顺时针，小于零位逆时针。计算读取周期T时，要使假设条件成立，则需使式 2nT60 成立 经简化得 T 30n 式中：n为编码器转速，单位圈/分，T的单位为秒。绝对式编码器测速系统软件设计流程图绝对式编码器测速系统软件设计流程图（a）主程序流程图 （b）转速读取流程图 （c）定时中断流程图五五 TSL1401 TSL1401线性线性CCDCCD

22、传感器的应传感器的应（1）线性CCD TSL1401图像采集系统硬件设计 线性CCD TSL1401所测量的图像是一条线，共128个像素点，其图像测量的引脚接口电路如图所示，图中的SI和CLK分别接XS128单片机的A0和A1管脚，AO接单片机的AD0管脚。（2）线性CCD TSL1401图像采集系统软件设计 线性CCD TSL1401图像采集系统流程图如下图。程序采用了光线自适应算法，当光线太暗时，会增加曝光时间，当光线太亮时，会缩短曝光时间。（a）主程序流程图 （b）中断程序流程图六六 OV7620 CMOS OV7620 CMOS图像传感器的应用图像传感器的应用（1）OV7620图像采集

23、系统硬件设计 面型CCD OV7620的引出线与XS128的接线图如图所示，其中Y0Y7位8位数据线，与XS128单片机的A0A7口相连，HRF为行中断信号，与XS128的输入输出捕捉口T1脚相连，VSY为场中断信号，与XS128单片机的输入输出捕捉口T0相连。OV7620 CMOS图像传感器实物图见图。（2）OV7620图像采集系统软件设计OV7620图像采集系统软件流程图图像采集系统软件流程图（a）主程序流程图 （b）中断程序流程图 （c）数据采集程序七七 HY_SRF05 HY_SRF05超声波测距模块的应用超声波测距模块的应用（1）HY_SRF05超声波测距系统硬件设计 HY_SRF0

24、5超声波测距模块可提供2cm450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达到3mm；模块包括超声波发射器、接触器与控制电路。其硬件接口电路如图所示，超声波测距传感器实物图。Vcc为5V电源；GND为地线；Trig为HY_SRF05超声波测距模块的触发控制端，信号输入，与XS128单片机的A0口相连，由A0口为其输出一个至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40kHz的方波；Echo为回响信号输出，模块自动检测是否由信号返回，有信号返回，此引脚输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间声速2，建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影

25、响。（2）HY_SRF05超声波测距系统软件设计 超声波测距系统程序流程图超声波测距系统程序流程图（a）主程序 （b）定时程序八八 综合应用综合应用电机正反转调速系统电机正反转调速系统 在电机控制过程中，通常需要对电机转速进行调节并对速度进行显示。调速系统结构图如图所示。（1）电机正反转调速系统硬件设计 在硬件设计过程中，主要包括速度设定模块设计，功率驱动模块设计，速度采集模块设计和速度显示模块设计四个部分，如图。1）速度设定模块设计 速度设定模块采用东莞市林积为公司生产的旋转编码器，该元件为RE120系列产品。该编码器为机械结构，内部有旋转轴、刷子、垫片等原件。该编码器每圈输出15个脉冲，通

26、过A、B两相相位差来确定脉冲的增减，如图所示。同时，该旋转编码器旋转轴按压时会产生脉冲信号，利用该按压功能可实现电机待机停转。在具体使用时，需要利用MCU的外部脉冲捕捉功能。将A相输出的信号与单片机的外部脉冲捕捉端口连接，B相输出的信号与普通I/O口连接。当A相信号上升沿出现时（采用上升沿捕捉），MCU中断响应，这时在中断程序中对B相的输入状态进行检测，如果B相为低电平，则为顺时针，如果B相为高电平，则为逆时针。MCU依据编码器旋转的方向来对设定值进行增减。2）速度检测模块设计 速度检测采用内密控157线增量式旋转编码器，采用脉冲累加器对脉冲进行计数，每50ms读取一次脉冲累加器数值。程序中显

27、示的转数为旋转编码器旋转轴的转数。n=Counter（NT）式中，n为测速编码器旋转轴转速，N为编码器每圈产生脉冲数（本例中为157），T为读取脉冲周期，Counter为每次读取的脉冲个数。在进行转速换算时，要注意单位的变换。3）电机功率驱动模块设计 电机功率驱动模块采用MC33886芯片，通过改变输入给芯片的PWM信号来改变电机的旋转方向及转速。MC33886为飞思卡尔半导体公司生产的H桥驱动芯片，该芯片具有5.0A驱动能力，控制采用PWM方式，控制简单可靠。同时该芯片具有制动功能和过载报警功能。该芯片具体使用可查相关资料。4）速度显示模块设计 速度显示模块采用共阳极4位LCD数码管，共用12个I/O口进行显示控制。在数码管的位选信号端，采用三极管来提升系统对数码管的驱动能力。（2）电机正反转调速系统软件设计 电机正反转控制软件设计流程图见图电机正反转控制软件设计流程图见图（a）主流程图 (b)50ms定时中断程序 （c）速度设定中断程序 （d）待机中断程序